第十一章支承件設(shè)計(jì)演示文稿當(dāng)前1頁(yè)，總共38頁(yè)。優(yōu)選第十一章支承件設(shè)計(jì)當(dāng)前2頁(yè)，總共38頁(yè)。二、支承件的設(shè)計(jì)要求

1、足夠的靜剛度和較高的剛度／重量比

2、良好的動(dòng)態(tài)特性。

3、較小的熱變形和內(nèi)應(yīng)力。

4、便于制造、裝配、維修、排屑和吊運(yùn)及考慮切削液及潤(rùn)滑油回收、液壓、電器裝置的安置等。當(dāng)前3頁(yè)，總共38頁(yè)。三、支承件的設(shè)計(jì)基本步驟

1）根據(jù)支承件的使用要求進(jìn)行受力分析，再根據(jù)所受的力、熱變形和其它要求（如排屑、切削液及潤(rùn)滑油回收、其它零部件安置等），并參考機(jī)床的同類(lèi)型件，初步設(shè)計(jì)其基本形狀和尺寸。

2）可以用有限元法，借助于電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行驗(yàn)算，求解支承件的靜剛度和動(dòng)態(tài)剛度，避免盲目性，提高成功率。

3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，或?qū)讉€(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，選擇最佳方案。當(dāng)前4頁(yè)，總共38頁(yè)。

第二節(jié)支承件的靜力分析一、支承件受力分析

為了保證有足夠的剛度，必須了解支承件的受力情況以及產(chǎn)生的變形，了解由此引起的加工誤差，從而合理設(shè)計(jì)支承件的結(jié)構(gòu)。

1.不同機(jī)床所受載荷的特點(diǎn)

1)對(duì)于中小型普通機(jī)床，應(yīng)以切削力為主，工件重量、移動(dòng)部件重量等在受力和變形分析時(shí)可忽略不計(jì)，如鉆床、銑床、中型車(chē)床等。

2)對(duì)于精密機(jī)床和高精度機(jī)床，其切削力較小，應(yīng)以移動(dòng)部件的重量和熱應(yīng)力為主，如雙柱立式坐標(biāo)鏜床。

3)對(duì)于大型、重型機(jī)床則需要同時(shí)考慮工件重量，移動(dòng)部件重量和切削力，如雙柱立式車(chē)床、落地鏜銑床等。

當(dāng)前5頁(yè)，總共38頁(yè)。2.不同形狀支承件的簡(jiǎn)化

支承件根據(jù)其形狀不同一般可簡(jiǎn)化為梁、板、箱三種類(lèi)型。

1).梁件——一個(gè)方向的尺寸比另兩個(gè)方向大得多的零件。如：床身、立柱、橫梁等。

2).板件——兩個(gè)方向的尺寸比第三個(gè)方向大得多的零件。如：底座、工作臺(tái)、刀架等。

3).箱體件——三個(gè)方向的尺寸都差不多的零件。如：箱體、升降臺(tái)等。當(dāng)前6頁(yè)，總共38頁(yè)。

3.普通車(chē)床床身的受力分析

當(dāng)前7頁(yè)，總共38頁(yè)。通過(guò)分析得到相應(yīng)的變形：

1）.豎直面內(nèi)的彎矩和彎曲變形。

2）.水平面內(nèi)的彎矩和扭轉(zhuǎn)變形。

3）.橫截面內(nèi)的轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)變形。當(dāng)前8頁(yè)，總共38頁(yè)。

第三節(jié)支承件的靜剛度和形狀選擇的原則一、支承件靜剛度

支承件的變形一般包括自身變形、局部變形和接觸變形。設(shè)計(jì)時(shí)，要注意這三類(lèi)變形的匹配，并應(yīng)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)予以加強(qiáng)。

1.自身剛度

支承件抵抗自身變形的能力，稱(chēng)為自身剛度。支承件的自身剛度主要為彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。支承件的自身剛度取決于支承件材料、構(gòu)造、形狀、尺寸和隔板的布置等。

當(dāng)前9頁(yè)，總共38頁(yè)。2.局部剛度

抵抗局部變形的能力，稱(chēng)為局部剛度。局部剛度主要取決于受載部位的構(gòu)造、尺寸以及筋的配置。局部變形發(fā)生在載荷集中的地方。

當(dāng)前10頁(yè)，總共38頁(yè)。3.接觸剛度

支承件各接觸面抵抗接觸變形的能力，稱(chēng)為接觸剛度。取決于連接處材料、幾何形狀與尺寸及接觸面硬度和表面粗糙度。當(dāng)前11頁(yè)，總共38頁(yè)。

接觸剛度與自身剛度的不同在于：

1)接觸剛度是指受外載荷對(duì)接觸平面的平均壓強(qiáng)與變形之比，并不是支承件的自身剛度，接觸剛度可表示為：

接觸平面受到的平均壓強(qiáng)/接觸平面的變形量

2)接觸剛度不是一個(gè)固定值，即接觸平面受到的平均壓強(qiáng)與接觸平面的變形量的關(guān)系是非線性的。

當(dāng)前12頁(yè)，總共38頁(yè)。

支承件的自身剛度和接觸剛度對(duì)接觸壓強(qiáng)的分布是有影響的，如圖11—5所示。在集中載荷作用下，如自身剛度和局部剛度較高，則接觸壓強(qiáng)的分布是基本均勻的，如圖a所示。接觸剛度也較高。如自身剛度或局部剛度不足，則在集中載荷的作用下，構(gòu)件將產(chǎn)生變形，使得接觸壓強(qiáng)分布不均如圖b所示，從而使接觸變形分布也不均，降低了接觸剛度。從這里可以看出，接觸剛度不僅決定于接觸面的加工情況，也決定于支承件。當(dāng)前13頁(yè)，總共38頁(yè)。二、剛度的折算和比較

彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的單位不同，x向和y向彎曲剛度的方向不同，互相之間是不能直接比較的。但是在設(shè)計(jì)時(shí)，又必須知道支承件的各項(xiàng)剛度對(duì)加工精度的影響。為此，就要把彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，都折合為刀尖相對(duì)于工件在最影響精度方向(“敏感方向”)的位移，以便進(jìn)行比較。下面以車(chē)床床身為例，說(shuō)明折算的方法，見(jiàn)圖11—6。當(dāng)前14頁(yè)，總共38頁(yè)。

三、支承件形狀選擇的原則

1.正確選擇界面的形狀和尺寸支承件主要是承受力矩、扭矩以及彎扭復(fù)合載荷，所以自身剛度主要是考慮彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。

在彎、扭載荷作用下，支承件的變形與截面的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩有關(guān)。材料和截面積相同而形狀不同時(shí)，截面慣性矩相差很大，因此應(yīng)正確選擇截面的形狀和尺寸以提高自身剛度。

當(dāng)前15頁(yè)，總共38頁(yè)。

1）截面積相同時(shí)空心截面剛度大于實(shí)心界面剛度。

2)方形截面的抗彎剛度高于圓形截面，而抗扭剛度較低。

3)不封閉的截面比封閉的截面剛度顯著下降，特別是抗扭剛度下降更多。當(dāng)前16頁(yè)，總共38頁(yè)。四.合理布置隔板

在兩壁之間起連接作用的內(nèi)壁稱(chēng)為隔板。隔板的功用在于把作用于支承件局部地區(qū)的載荷傳遞給其它壁板，從而使整個(gè)支承件各壁板能比較均勻的承受載荷。當(dāng)支承件不能采用全封閉截面時(shí)，常常布置隔板來(lái)提高支承件的自身剛度。當(dāng)前17頁(yè)，總共38頁(yè)。

隔板布置一般有三種基本形式，

即縱向隔板、橫向隔板和斜向隔板?？v向隔板主要提高抗彎剛度；橫向隔板主要提高抗扭剛度；斜向隔板則兼有提高抗彎剛度和抗扭剛度的效果。

縱向筋板抗彎PbPLp橫向筋板抗扭斜向筋板既抗彎又抗扭當(dāng)前18頁(yè)，總共38頁(yè)。

五.合理開(kāi)窗孔為了安裝機(jī)件或清砂，往往需要在支承件外壁上開(kāi)孔，窗孔對(duì)剛度的影響決定于它的大小和位置。開(kāi)在與彎曲平面垂直的壁上的窗孔，對(duì)影響抗彎剛度最大。開(kāi)在較窄壁上的窗孔，對(duì)抗扭剛度的影響比開(kāi)在較寬壁上的窗孔大。因此矩形截面的立柱，窗孔盡量不要開(kāi)在前、后壁上。必須開(kāi)孔時(shí)，應(yīng)靠近支承件幾何中心附近。孔寬或孔徑以不超過(guò)支承件寬度的0.25倍為宜。工作時(shí)加蓋，并用螺釘上緊，可補(bǔ)償一部分剛度的損失。表2給出了在空心梁類(lèi)支承件模型上開(kāi)孔及加蓋對(duì)剛度影響的試驗(yàn)結(jié)果。

當(dāng)前19頁(yè)，總共38頁(yè)。六、提高支承件局部剛度

1.合理選擇連接部件的結(jié)構(gòu)

圖c和圖d的兩種結(jié)構(gòu)最好，特別是用來(lái)承受力矩效果更好，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

當(dāng)前20頁(yè)，總共38頁(yè)。

2.合理選擇螺釘尺寸和布置

當(dāng)受力矩時(shí)，螺釘應(yīng)主要布置在受拉伸的一側(cè)；當(dāng)受扭矩時(shí)，螺釘應(yīng)均勻分布在連接部位四周。螺釘尺寸應(yīng)經(jīng)過(guò)計(jì)算，使它足以能承受外載荷的作用。

3.注意床身與導(dǎo)軌連接處的局部過(guò)渡

當(dāng)前21頁(yè)，總共38頁(yè)。4.合理配置加強(qiáng)筋有些支承件的內(nèi)部要安裝其它機(jī)構(gòu)，不能封閉，安裝隔板也會(huì)有所妨礙。這時(shí)就只能采用加強(qiáng)筋來(lái)提高剛度。合理配置加強(qiáng)筋是提高局部剛度的有效方法。

當(dāng)前22頁(yè)，總共38頁(yè)。七、提高支承件接觸剛度

減少接觸面的層數(shù)是提高接觸剛度的最好方法。但具體設(shè)計(jì)時(shí)，常限于結(jié)構(gòu)或功能上的原因而不能減少接觸面的層數(shù)，此時(shí)可采用以下措施：

(1)

導(dǎo)軌面和重要的固定結(jié)合面必須配刮或配磨。

(2)固定螺釘連接時(shí)，通常應(yīng)使接觸面間的平均預(yù)壓壓強(qiáng)不小于2MPa，以消除表面微觀不平度的影響，并據(jù)此確定固定螺釘?shù)闹睆?、?shù)量、布置位置以及擰緊螺釘時(shí)施加的力。裝配時(shí)可用測(cè)力扳手來(lái)擰緊螺釘。

當(dāng)前23頁(yè)，總共38頁(yè)。八、壁厚的選擇當(dāng)前24頁(yè)，總共38頁(yè)。

九、支承件材料和熱處理

支承件的材料主要為鑄鐵和鋼。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土支承件（主要為床身、立柱、底座等）近年來(lái)有較大的發(fā)展。

對(duì)于鑄鐵支承件，如果導(dǎo)軌與支承件鑄為一體，則鑄鐵的牌號(hào)應(yīng)根據(jù)導(dǎo)軌的要求選擇；如果導(dǎo)軌是鑲嵌上去的，或者支承件上沒(méi)有導(dǎo)軌，則一般可采用HT150。如果支承件由型鋼和鋼板焊接，則常用3號(hào)或5號(hào)鋼。在鑄造或焊接中的殘余應(yīng)力，將使支承件產(chǎn)生變形。因此，必須進(jìn)行時(shí)效處理以消除殘余應(yīng)力。時(shí)效方法有自然時(shí)效、人工時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效三種。當(dāng)前25頁(yè)，總共38頁(yè)。支承件焊接結(jié)構(gòu)

1.焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1）用鋼板、角鋼等焊接支承件，工序簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，可以焊接任何形狀的零件，且不易出廢品。

2）焊接支承件沒(méi)有鑄件的截面形狀限制，可做成完全封閉的箱形結(jié)構(gòu)，并根據(jù)受力情況，布置肋條和肋板來(lái)提高抗扭剛度和抗彎剛度。

3）鋼的彈性模量約為鑄鐵的1.5～2倍，鋼的剛度/重量比鑄鐵大40%以上。

4)鋼的內(nèi)阻尼較鑄鐵小，但機(jī)床阻尼主要取決于各零件接合處的阻尼，材料的內(nèi)阻尼影響不大。當(dāng)前26頁(yè)，總共38頁(yè)。

5)焊接結(jié)構(gòu)在成批生產(chǎn)時(shí)，成本比鑄件高，一般多用在大型、重型機(jī)床及自制設(shè)備等小批生產(chǎn)中。

2.焊接工藝性

1）盡量減少焊縫的數(shù)量和長(zhǎng)度；

2)焊縫的可焊到性要好；

3）減輕焊縫的載荷；

4）輪廓形狀規(guī)整化；

5）大型結(jié)構(gòu)分段焊接組裝。當(dāng)前27頁(yè)，總共38頁(yè)。十、支承件結(jié)構(gòu)工藝性

1.鑄件結(jié)構(gòu)工藝性

1)鑄件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造型和拔模容易；

2)避免產(chǎn)生縮孔、氣孔和裂紋，壁厚應(yīng)盡量均勻。

3)便于清砂，特別是便于清理砂芯。

4)大型鑄件要鑄出吊孔,如鑄件不能開(kāi)孔，則應(yīng)鑄出吊鉤或加工出螺紋孔，以便于安裝吊環(huán)螺絲。當(dāng)前28頁(yè)，總共38頁(yè)。2.機(jī)械加工工藝

1）較長(zhǎng)的支承件（如車(chē)床床身）應(yīng)盡量避免兩端有加工面，避免支承件內(nèi)部深處有加工面以及傾斜的加工面。

2)盡量使加工面集中，以減少加工時(shí)的翻轉(zhuǎn)及裝夾次數(shù)。

3)所有加工面都應(yīng)有支承面較大的基準(zhǔn)，便于加工時(shí)定位、測(cè)量和夾緊。

當(dāng)前29頁(yè)，總共38頁(yè)。第四節(jié)支承件動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性一般包括三方面問(wèn)題：

1)共振問(wèn)題

在工作時(shí)支承件的固有頻率不能與激振頻率相重合，應(yīng)避免發(fā)生共振現(xiàn)象。

2)動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題

支承件應(yīng)具有較高的動(dòng)剛度（共振狀態(tài)下，激振力的幅值與振幅之比）和較大的阻尼，使支承件在受到一定幅值周期性激振力的作用，受迫振動(dòng)的振幅較小。

3)切削穩(wěn)定性問(wèn)題

抵抗切削自激振動(dòng)的能力，研究支承件動(dòng)態(tài)特性就要對(duì)切削穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

當(dāng)前30頁(yè)，總共38頁(yè)。一、支承件固有頻率和振型分析支承件動(dòng)態(tài)特性時(shí)，通?？蓪⒅С屑?jiǎn)化為一個(gè)多自由度的系統(tǒng)，多自由度系統(tǒng)的固有頻率和主振型，是通過(guò)求解系統(tǒng)的無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程得到。

1.多自由度系統(tǒng)的固有頻率和主振型

圖a所示的振型，其固有頻率比圖b所示的低。因此，圖a為第一階振型，其固有頻率為第一階固有頻率，合稱(chēng)第一階模態(tài)；圖b為第二階振型，第二階固有頻率，合稱(chēng)第二階模態(tài)。

當(dāng)前31頁(yè)，總共38頁(yè)。2.支承件的模態(tài)分析由于機(jī)床上激振力的頻率一般都不太高，因而只有最低幾階模態(tài)的固有頻率才有可能與激振頻率重合或接近。

高階模態(tài)的固有頻率已遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的激振力頻率，一般不可能發(fā)生共振，對(duì)于加工質(zhì)量的影響是不大的。所以只需研究最低幾階模態(tài)。

當(dāng)前32頁(yè)，總共38頁(yè)。1)第一階模態(tài)

整機(jī)搖晃振動(dòng)，振型如圖a所示。床身作為一個(gè)剛體在彈性基礎(chǔ)上做搖晃振動(dòng)。整機(jī)搖晃的固有頻率較低，通常約為數(shù)十赫茲。

2)第二階模態(tài)

一次彎曲振動(dòng)，振型如圖b所示。主振系統(tǒng)是床身本身。振動(dòng)的特點(diǎn)是各點(diǎn)的振動(dòng)方向一致，上下振幅相差不大，縱向(z向)越近中部，振幅越大；越近兩端振幅越小。當(dāng)前33頁(yè)，總共38頁(yè)。3)第三階模態(tài)

一次扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，振型如圖c所示。主振系統(tǒng)與第二階模態(tài)相同。振型振動(dòng)的特點(diǎn)是兩端的振動(dòng)方向相反,振幅為兩端大中間小。4)第四階模態(tài)

二次彎曲振動(dòng)，振型如圖d所示。主振系統(tǒng)同上。特點(diǎn)是有兩條節(jié)線AB和CD。在這兩條節(jié)線上，振幅為零。兩端的振動(dòng)方向相同，與兩節(jié)線間的振動(dòng)方向相反。當(dāng)前34頁(yè)，總共38頁(yè)。5)薄壁振動(dòng)

在高頻振動(dòng)中，需要注意的是薄壁振動(dòng)。薄壁振動(dòng)的振幅不大